毕业论文：专用焊接机器人的结构设计

青岛科技大学本科毕业设计（论文）1绪论1.1焊接机器人的发展自从世界上第一台工业机器人UMMATE于1959年在美国诞生以来，机器人的应用和技术发展经历了三个阶段：第一代是示教再现型机器人。这类机器人操作简单，不具备外界信息的反馈能力，难以适应工作环境的变化，在现代化工业生产中的应用受到很大的限制。第二代是具有感知能力的机器人。这类机器人对外界环境有一定的感知能力，具备如听觉、视觉、触觉等功能，工作时借助传感器获得的信息，灵活调整工作状态，保证在适应环境的情况下完成工作。第三代是智能机器人。这类机器人不但具有感觉能力，而且具有独立判断、行动、记忆、推断和决策的能力，能适应外部对象、环境协调工作，能完成更加复杂的动作，还具备故障自我诊断及修复能力。焊接机器人就是焊接生产领域代替焊工从事焊接任务的工业机器人。焊接机器人的出现，帮助人们解决了很多问题。焊接机器人具有如下特点：（1）稳定和提高焊接质量，保证其一致性。采用机器人焊接时，对于每条焊缝的焊接参数都是恒定的，焊缝质量受人的因素影响较小，因此焊接质量是稳定的。而人工焊接时，焊接速度、干伸长等会受人为因素的影响而发生变化，因此很难做到质量的一致性；（2）提高劳动生产率。机器人可24小时连续生产，另外随着高速高效焊接技术的应用，人工焊接已经无法适应，必须使用机器人焊接；（3）改善了工人的劳动条件。采用机器人焊接工人只是参与管理和控制焊接过程，远离了焊接弧光、烟雾和飞溅等；（4）产品周期明确，容易控制产品质量。机器人的生产节拍是固定的，因此安排生产计划非常明确；（5）焊接机器人的制造技术不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），单机价格不断下降。随着工业跌的发展和各种技术的不断革新以及对生产结构和产品质量的要求不断提高，焊接机器人在各种行业中发挥越来越重要的作用。目前，世界各国都在加大科研力度，对焊接机器人进行研究，从发展趋势上看，焊接机器人和其他工业机器人一样，不断向智能化和多样化方向发展。国内外对焊接机器人的研究主要体现在机器人操作机结构、焊缝跟踪和传感技术、多台机器人协同控制技术、远程遥控技术、机器人专用弧焊电源技术、焊接机器人系统仿真技术与焊接机器人工艺方法等方面。1.2 焊接机器人的国内外应用现状焊接机器人具有焊接质量稳定、改善工人劳动条件、提高劳动生产率等特点，广泛应用于汽车、工程机械、通用机械、金属结构和兵器工业等行业。据不完全统计，全世界在役的工业机器人大约有一半用于各种形式的焊接加工领域。截止2005年，全世界在役工业机器人约在91.4万台，其中日本装备的工业机器人总量达到了50万台以上，成为“机器人王国”，其次是美国和德国；在亚洲，日本。韩国和新加坡的制造业中每万名雇员占有的工业机器人数量居世界前三位。近几年，全球机器人的数量在迅速增强，仅2005年就达12.1万台。我国自上世纪70年代末开始进行工业机器人的研究，经过二十多年的发展，在技术和应用方面均取得了长足的发展，对国民经济尤其是制造业得发展起到了重要的推动作用。据不完全统计，近几年我国机器人呈现出快速增长势头，平均年增长率都超过40%焊接机器人的增长率超过了60%；2004年国产工业机器人数量突破1400台，进口机器人数量超过9000台，其中绝大多数应用于焊接领域；2005年我国新增机器人数量超过了5000台，但仅占亚洲新增数量6%，远小于韩国所占的15%，更远小于日本所占的69%。这对于我国的经济发展速度以及经济总量来说显然是不匹配的，这说明我国制造业的自动化程度有待进一步提高，另一方面也反映了我国劳动力成本的低廉，制造业自动化水平以及工业机器人应用程度的提高受到限制。当前，焊接机器人的应用迎来了难得的发展机遇。一方面，随着技术的发展，焊接机器人的价格不断下降，性能不断提高；另一方面，劳动力成本不断上升，我国由制造大国向制造强国迈进，需要提升加工手段，提高产品质量和增强企业竞争力1。1.3 焊接机器人的发展趋势 目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究。从机器人技术发展趋势看，焊接机器人和其他工业机器人一样，在不断向智能化和多样化方向发展。具体而言，表现在以下几个方面2。1.3.1 机器人操作机构通过有限元分析、模态分析和仿真设计等现代设计方法的运用，实现机器人操作机构的优化设计。搜索新的高强度轻质材料，进一步提高负载/自重比。例如，以德国FGFI公司为代表的机器人公司，已将机器人并联平行四边形结构改为开链结构，拓展了机器人的工作范围，加之轻质铝合金材料的应用，大大提高了机器人的性能。此外采用先进的RV减速器和交流伺服电机，是机器人操作机几乎成为免维护系统。机构向着模块化、可重构方向发展。例如，关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。机器人的结构更加灵巧，控制系统愈来愈小，两者正朝着一体化方向发展。采用并联机构，利用机器人技术，实现高精度测量及加工，这是机器人技术向数控技术的拓展，为将来实现机器人和数控技术一体化奠定了基础。意大利COMAU公司、日本FANUC公司等已开发出了此类产品。1.3.2机器人控制系统重点研究开放式、模块化控制系统。向基于PC机得开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日渐小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。控制系统的性能进一步提高，已由过去控制标准的6轴机器人发展到现在能够控制21轴甚至27轴，并且实现了软件伺服和全数字控制。人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。机器人控制器的标准化和网络化，以及基于PC机网络式控制器已经成为研究热点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成为研究重点，在某些领域的离线编程已经实现实用化。1.3.3 机器人传感技术机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了激光传感器、视觉传感器和力传感器，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模和决策控制，为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性、非平稳和非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一问题就是传感系统的实用化。1.3.4 网络通信功能日本YASKAWA和德国KUKA公司的最新机器人控制器实现了Canbus、Profibus、总线极为一些网络的链接，使机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步，也使机器人由过去的专用设备向标准化设备发展。1.3.5 机器人遥控和监控技术在一些诸如核辐射、深水、有毒等高危险环境中进行焊接或其他作业，需要有遥控的机器人代替人去工作。当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自助系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。多机器人和操作者之间的协调控制，可通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有时延的晴空下，建立预先现实进行遥控等。1.3.6 虚拟机器人技术虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实现机器人的虚拟遥控操作和人机交互。1.3.7 机器人性能价格比机器人性能不断提高：高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修，而单机价格不断下降。由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机器人系统的可靠性有了很大的提高。过去机器人系统的可靠性一般为几千小时，而现在已达到5万小时，可以满足任何场合的需求。1.3.8 多智能体调控技术 这是目前机器人研究的一个新领域。主要对多智能体的群体体系机构、相互间的通信与磋商机理、感知与学习方法、建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。人类的活动领域不断扩大，机器人应用也从制造领域向非制造领域发展。像海洋开发、宇宙检测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提出了自动化的机器人化的要求。这些行业与制造业相比，其主要特点是工作环境的非结构化和不确定性，因而对机器人的要求更高，需要机器人具有行走功能、对外感知能力以及局部的自主规划能力等，是机器人技术的一个重要发展方向。可以预见，在21世纪各种先进的机器人系统将会进入人类生活的各个领域，成为人类的助手和伙伴。1.4 相贯线自动焊接机的发展现状与趋势相对于国外焊接自动化控制技术的发展，我国在该焊接领域的研究起步较晚。到目前为止，我国的焊接自动化率同发达工业国家相比差距甚远。从二十世纪末开始，国家开始逐渐在各行业推广自动焊的基础焊接方式气体保护焊，以取代传统的手工电弧焊。并以实现焊接过程的机械化、自动化为战略目标，积极推动焊接生产的自动化和过程智能化，研发焊接生产线及柔性制造技术，将数控技术、柔性制造技术等技术引入焊接生产，促进可焊接自动化技术的快速发展，取得了一定的成果。在管件相交零件的焊接中，尤其是对环缝、马鞍线焊缝的自动化技术，在我国的科研生产中，已经有了广泛的研究和应用3。以下是两种卧式焊枪自动焊接机： 图1-1 卧式双焊枪环缝自动焊接机 Fig.1-1 Horizontal dual-torch automatic welding machine 图1-2 卧式单焊枪环缝自动焊Fig.1-2 Horizontal automatic welding machine除了卧式的焊接机，常用的结构形式还有立式焊接机： 图1-3 工件旋转焊接机Fig.1-3 Welding machine with work piece rotating 图1-4 马鞍线焊接机 Fig.1-4 Welding machine with saddle-shaped seam以上是生产中常用的几种管件相交焊缝的自动化焊接机，采取工件立式（卧式）定位，气动压紧，焊枪绕工件（工件绕焊枪）旋转方式，由底座、立柱、压紧气缸座、主传动机构、焊枪手动调节机构、焊枪夹持机构及电气控制部分等组成。焊枪（工件）回转速度无级可调，一遍不同直径、材质和厚度的工件可获得最佳的焊接速度，适用于支管及管道筒体相交的相贯线（马鞍线）接口或偏心的异性工件环缝的焊接。虽然目前对单个相贯线或多个相贯线但无障碍施焊的自动化焊接技术、设备应用广泛，但从现有文献资料看，尚没有查到关于多相贯线连续焊接的避障式自动焊接设备的信息。近期生产的自动化焊接设备的设备精度和制造质量已接近现代金属切削机床。最值得注意的是，大多数焊接设备采用了最先进的自动控制系统、智能化控制系统和网络控制系统等广泛采用焊接机器人作为操作单元，组成焊接中心、焊接生产线、柔性制造系统和集成制造系统。早在80年代，国外的焊接设备已向大型化和精密化发展。目前国外生产的重型焊接滚轮架最大的承载能力达1600T，自动防窜滚轮架的最大承载能力达800T,采用PLC和高精度位移传感器控制，防窜精度为0. 5mm。变位机的最大的承载能力达400T，转矩可达450000NM。框架式焊接翻转机和头尾架翻转机的最大承载能力达160T。焊接回转平台的最大承载能力达500T。立柱横梁操作机和门架式操作机的最大行程达12m。龙门架操作机的最大规格为8m 8m。纵观当今世界自动化焊接设备的发展趋势，可以概括为如下几个特点4:（1）采用高效的焊接方法中、大型焊件大多数为厚壁构件，焊接工作量大，连续焊接周期长，因此必须采用高效焊接法，如高效埋弧焊、高效熔化极气体保护焊、窄间隙焊、激光焊、电子束焊和等离子弧焊等。（2）适应全数字控制基于大、中型焊件接缝装配绝对误差较大，接头几何形状多变，且中、厚板接头多道焊接过程中不可避免产生热变形等特点，焊接机头必须具有自适应焊缝跟踪系统，同时为实现焊接过程的全自动化和远程监控，焊接操作机或焊接机器人、焊件变位机械、焊接电源和送丝机均应采用全数字控制技术，才能完成上述任务。（3）智能化和焊接工艺参数的优化为实现厚壁接头连续不间断稳定地焊接并确保接头的焊接质量，焊接机头的运动应通过计算机软件、实时检测、自动编程和数据处理进行智能化控制。例如湍典ESAB公司重型容器焊接中心的ABW系统，可以根据连续实测的坡口宽度，确定每层焊缝的焊道数、每道焊缝的熔敷量及相应的焊接工艺参数、焊道之间的搭隆量、盖面层位置等，可实现厚壁接头从坡口底部到盖面层的所有焊道均由焊机自动提升、变道完成。这种控制系统必须配用数字控制的焊接电源，以使每道焊缝的焊接工艺参数始终处于优化状态，能够优质、高速、经济地完成整个接头。（4）管控一体化当前信息技术的快速发展己将传统制造业推向电子制造(e-Manufacturing)的时代。各工业生产企业必将逐步实现生产管理和生产过程自动控制的集成一体化。因此在设计制造大型自动化焊接设备时应当优先考虑采用直接数字控制系统(DNC)，以便在焊接设备的数控系统与主数计算机之间建立数据通讯联络，完成数控程序的管理、数控程序的分配、生产数据收集、加工过程的监控和远程诊断功能。(5)柔性化大型自动化焊接设备或生产线的一次投资相对较高，在设计这种焊接设备时必须考虑柔性化，形成柔性制造系统，以充分发挥设备的效能，满足同类产品不同规格工件的生产需要。自动控制和信息技术在制造业中的广泛应用正在彻底改变传统制造业的面貌，其中焊接生产过程的全自动化已成为一种迫切的需求，它不仅可大大提高焊接生产率，更重要的是可确保焊接质量，改善操作环境。随着整个制造业水平的提高，企业的经营理念发生了很大变化，高产量己让位于高质量，劳动密集型己逐步被知识密集型所取代。大量采用自动化焊接专机、机器人工作站、生产线和柔性制造系统已成为一种不可阻挡的趋势。1.5 空间相贯线自动焊接的关键技术两立体相交，在其表面产生的交线，称为相贯线。根据两相交立体形状的不同，空间相贯线的形状变化很大，其形状取决于多个因素。空间相贯曲线焊接过程中焊缝形状多样，相贯工件形状的不同和大小的不同都会使焊缝轨迹改变。即使简单的量圆柱管相交，也分为正交、斜交和偏心交等多种情况，每一种情况下对应的焊缝都有变化，设计一种通用型的自动焊接设备具有重要意义和广阔的市场前景。因而对空间相贯线进行准确的数字描述是进行精确加工的第一步，也是极其重要的一步。在焊缝曲线表达式的获取方法上，现在大多是根据相贯工件的几何形状和相关方式利用解析几何的方法来求。对于形状简单、相贯方式规则的工件其相贯曲线焊缝是可以直接得到的。但是在实际加工过程中固定工件时往往存在位置误差，理论上的坐标原点和实际中的可能存在偏差。这样在焊接过程中势必会影响加工精度。而且对于工件偏心交方式形成的焊缝无法直接用解析几何的方法得到。所以自动焊接加工中的焊枪运动控制主要是根据焊缝的参数表达式应用插补技术来实现。1.6 研究课题的提出在焊接生产中，锚链的焊接是一种常见的焊接形式。对于大型船用锚链相贯线的焊接，很多工厂仍用手工焊来完成，制造周期长，劳动强度大，生产效率低，焊接质量难以保持稳定；对于大型锚链在焊接的过程中，需要对焊接部位进行预热，在高温下人工操作环境非常恶劣。使用焊接机器人进行焊接，有些机器人不是根据锚链焊缝而量身定做的专用焊接机器人使用起来需要克服很多困难，在使用过程中容易出现故障和损坏。还有一些机器人在焊接过程中，需要配合变位机使用，对于直径大的锚链焊接，这些相贯线焊接机器人无法对焊枪姿态进行调整，最终导致焊缝的成形不够完美，存在焊接缺陷等不足。从以上分析中，很多的锚链相贯线焊接机很难在焊接生产过程中得到广泛应用，主要原因是：结构设计没有针对性。作为专用相贯线焊接的专机设计，应该结合使用的实际情况，考虑到使用过程中的困难因素，除了要求结构轻便，还要体现出机器人开放式的结构特点。机器人可以满足各种焊接环境条件下，绝大多数锚链的焊接。保证机器人在焊接过程中高质、高效地完成焊接任务。 图1-5 有档普通锚链Fig.1-5 Common link 从机器人的发展趋势以及锚链焊接的特点来看，锚链专用焊接机设计需要具备以下特点：（1）结构紧凑、刚度大、易于搬运。对于大型锚链焊件，这样的结构能提高工作的效率。不用花大量的时间搬运和装卡焊接机器人。（2）结构模块化。焊接机器人需要根据不同的焊接情况进行改动，使机器人满足各种焊接工件的要求。不需要因为被焊件太大或太小而将整个机器人更换。而只需要将其中的某个关节进行改装就可以适应焊接要求。（3）简便的过程控制。机器人运动控制的可预见性增加，可以避免许多意外的情况发生。1.7 本文研究的主要内容综上所述，传统的焊接机器人在处理常规的焊接任务过程中有一定的优越性，但在专用锚链焊接的过程中，由于环境、工件、操作，会给焊接过程带来许多的困难，使焊接效率降低，焊接质量无法得到保证，甚至无法完成焊接任务。为了解决上述存在的问题本课题在研发自动焊接机的过程中，取长补短，借鉴传统焊接机器人的优点，改进其不足之处，拟自主创新设计一台专用的焊接机器人专机，专门针对锚链相贯线焊缝进行焊接。本文从相贯线的特征出发，分析锚链相贯线以及焊接过程中焊枪姿态变化，确定机器人的自由度，以及焊接机器人所采用的结构。在设计过程中，为了使控制系统的设计变得简单，设计机构时，使焊接机器人的关机运动在控制上进行解耦。每个关节控制的自由度对应相贯线的一个特征变化，机器人的自由度运动直观明了。整个机构设计也能用简单的传动设计，各部分机构模块化，控制的过程简单化。在本课题中，主要对以下内容进行了研究：(1)相贯线自动焊接机机械系统总体设计。(2)相贯线自动焊接机机械部件的设计。(3)相贯线自动焊接接各轴执行元件的设计。(4)相贯线自动焊接机各轴模型的设计。(5)利用solidworks软件对整个结构进行建模。(6)利用Matlab软件对所设计机构进行运动仿真。2锚链中档焊缝曲线分析根据焊接的工艺特点，焊接对速度的稳定性要求比较高，焊枪姿态对焊缝质量的影响比较大，焊枪相对焊缝的速度应恒定;但焊接速度相对其它机械加工方式较低，一般情况下只有5mm/s 50mm/s,因此焊接接机床工作台的速度相对一般数控机床而言并没有较高要求;精度要求也低于数控铣床、车床等。因此在设计自动焊接机床时，应该综合考虑上述因素，选择合适的伺服控制方式，根据焊接的速度和精度要求来确定机床的脉冲当量，等等。搭建自动焊接机床及其伺服控制系统平台的基本要求包括:能够实现空间曲线接缝的自动焊接;机床能够满足正常焊接的速度、精度和稳定性要求;伺服机构尽可能结构简单、体积小而且维修方便;尽量减小焊接机床的成本。由于这类相贯线接缝较为复杂，并且根据焊接工艺，在自动焊接过程中，焊枪的轴线应与形成相贯线的两实体表面之间保持一定的夹角，因此，焊枪除了要求具备平动的功能之外，还需要对其姿态进行控制，这样才能使焊枪瞄端在允许的误差范围内准确跟踪相贯线接缝，并通过控制焊枪姿态来保证接缝的焊接质量。焊枪姿态是影响焊缝成形和焊接质量的一个重要因素，特别是在全位置焊接条件下，对仰焊和立焊等特别位置的焊缝进行焊接时，焊枪姿态的影响尤为明显。根据焊接工艺的实践，焊缝处于平焊或船形焊或小角度的下坡焊位置最有利于保证优质的焊接质量，焊缝偏离平焊位置越多，对于保证焊接质量越困难，在仰焊位置最难得到优质焊缝。而焊枪相对焊缝的姿态，同样影响到焊接质量。如手工电弧焊对接平焊时焊枪应位于焊接件的垂直平面内，沿焊缝方向运动并与焊缝保持65-75的倾角;T形接头平焊时焊枪最好处手两接板的平分面上，与焊缝的夹角保持在65-80，等等。因此，焊接位置和焊枪姿态的选择是保证获得良好的焊接质量的关键。2.1 空间相贯焊缝曲线2.1.1 空间相贯焊缝的形状两个待焊接的立体工件相交产生的曲线类型是空间相贯曲线，相贯线是指两立体相交时在其表面产生的交线。相贯线具有三个特征：一是表面性，指的是相贯线位于两立体表面；二是封闭性，指的是相贯线通常是封闭的空间曲线，特殊情况下为平面曲线或直线；三是共有性，指的是相贯线是两立体表平面的共有线。相贯线的形状取决于三个因素：两相贯体的形状、相对大小和相对位置。根据两立体相交情况（相对位置）的的不同，相贯线可分为正交、斜交、偏心交等，形状也各不相同。从图2.1中可以直观的看到相贯线形式变化多样5。 （a）正交 （b）斜交 （c）偏置 （d）斜交偏置图2-1 两管道相交时相贯线情况Fig.2-1 Welding seam of two pipe为了不失一般性，两管道插接考虑斜交偏置时这种一般的情况。如图2-2所示，主管（直径较大的管）半径为R，支管（直径较小的管）半径为r，两关的相贯角为，偏心距为。主、支管分别采用和建立坐标系。和分别为两个坐标系的原点，同向，在坐标系中的坐标为（0, ，0，）。相贯线在两个圆柱上的投影为圆，相贯线可以看成是点在两个圆面上运动的合成。 图2-2 管道插接的一般情况Fig.2-2 Pipe plug in general2.1.2 相贯线方程由于相贯线在主、支管两个圆柱方向上的投影为圆，因此相贯线在两个方向可表示为6： （2-1）将在支管投影圆方程用柱坐标表示为： （2-2）根据坐标变换，两个坐标系的位置关系为： （2-3）即： （2-4）将（2-4）式代入（2-1）式，并将（2-2）式代入后，分别得到在和两个坐标系下的相贯线方程为： （2-5） （2-6）（2-5）、（2-6）式分别为和两个坐标系下的相贯线方程表示。其中，表示相贯线上点投影到支管坐标系下与的夹角。在已知主管直径R、支管直径r、相贯角以及偏心距为后，可以通过公式，在给定后，得到焊缝在相应坐标系下的坐标位置；或者已知相贯线上的点，亦可求出的值。求出相贯线的方程便于了解焊缝的特征以确定机构所需要的自由度，才能得到焊接过程中的焊接姿态。2.2 马鞍线焊缝的自动焊接工艺过程分析本文所研究的是锚链和中档正交所形成的马鞍线焊缝的焊接。马鞍线焊缝如图2-3所示。为了便于描述，对马鞍线的各特征点的位置用A到L的字母标出。 图2-3 马鞍线焊缝 Fig.2-3 Saddle weld line具体工艺过程如图2-4所示，规定零件绕轴心旋转的正方向是零件顺时针旋转的方向（从左视图看），焊枪1沿Y轴移动的正方向是焊枪1向右移动的方向（从主视图看），焊枪1绕垂直方向旋转的正方向是焊枪1顺时针旋转的方向（对俯视图看）。 (a)从A点到C点 (b)从C点到E点 (c)从E点到G点 (d)从G点到I点 (e)从I点到K点 (f)从K点到A点 图2-4马鞍线焊缝焊接工艺过程示意图Fig.2-4 Saddle wire weld process diagram首先焊枪1在圆柱面得最高点编前10mm处，焊枪移下后零件反向转动，焊枪1正向旋转，同时沿Y轴方向作相应运动，在此5轴的联动配合下，焊枪1从A点引弧，经过B、C、D、E点后在G点收弧，如图2-4 ac所示。然后平移气缸动作，带动焊枪1向右平移20mm，使焊枪1移动到圆柱面的最高点10mm处。焊枪1正向旋转，同时沿Y轴做相应运动，在此5轴的联动配合下，焊枪1从G点引弧，如图2-4 dr所示，从而完成整条焊缝的焊接。最后焊枪上移，零件和焊枪1（X、Z、Y）返回起始原点。2.3 焊接系统方案初步确定2.3.1 焊接系统所需自由度的分析如图2-5所示，锚链的焊缝为空间马鞍线，且两侧对称，所以采用对焊（对焊是指利用电阻热将两工件沿整个端面同时焊接起来的一类电阻焊方法）的焊接形式。图2-5 锚链Fig.2-5 Anchor理论上，马鞍线曲线焊缝是空间曲线焊缝，一般来说需要三个轴的联动来实现拟合；但此处马鞍型曲线焊缝的垂直投影是圆，因此可以利用一个回转轴来代替两个轴的联动。从机械角度看，在实际马鞍线曲线焊缝的焊接中，只需要回转机构与移动机构两个机构的联动便可以完成焊接；但是实际中考虑到锚链马鞍线焊接过程中，焊枪与锚链易产生干涉，所以必须对焊枪的姿态进行调整，让焊枪在不同的焊接位置时，姿态随焊枪位置的不同而变化，从而使焊缝均匀，满足焊接的工艺需求。同时需要对焊枪的初始位置进行调整，这就需要一个摆动机构。这样，要完成锚链马鞍线的焊缝的焊接至少需要四个自由度。焊接锚链马鞍线焊缝，需要回转机构、移动机构和摆动机构实现四轴联动完成焊接过程，其结构示意图（图2-6）。图2-6 四周联动机构示意图 Fig.2-6 Schematic diagram of four-axis linkage2.3.2 焊接系统所需机械结构（1）回转机构马鞍型曲线自动焊接机采用的是回转机构、移动机构和摆动机构的联动控制来实现焊缝的自动焊接；为了保证焊接过程中焊接的准确、稳定，将回转机构固定下来，这样回转机构可以方便的实现带动焊枪绕马鞍线焊缝的回转运动。（2）径向机构马鞍型自动焊接系统要实现空间曲线焊缝的自动焊接，只靠回转运动是不能实现的，还必须配合径向机构才能实现。一般情况，马鞍落差量（马鞍型焊缝最高点与最低点之差）相对于马鞍型焊缝轨迹比较小；因此在实现回转机构与移动机构联动运动时，要保证径向运动的精确性，选用了传动效率高、定位精确的滚珠丝杠螺母副传动机构。（3）摆动机构仅通过回转运动和径向运动可焊接出粗糙的马鞍型曲线，但焊接的品质和工艺需求远远得不到满足，因此需要摆动机构来控制焊枪的姿态，让焊枪在不同的焊接位置时，姿态随焊接位置的不同而变化，从而使焊缝均匀，满足焊接的工艺需求。（4）升降机构在马鞍型自动焊接系统的实际焊接过程中，只需要焊枪回转与径向运动便可以完成对马鞍型焊缝的焊接，并不需要升降运动；但是改变锚链的半径时，需要手动调节升降位置，使其满足不同锚链的焊接需求。2.3.3 焊接系统的控制一、 控制方式（1）自动控制方式工作在自动控制方式下，只需设置好锚链半径、中档半径、速度参数焊接电压、焊接电流后，便可以根据马鞍型曲线插补算法的插补运算来控制伺服电机驱动回转机构与径向机构来实现回转和径向运动。（2）自动运动中的手动控制方式在焊枪的自动运行中，为达到比较好的焊接结果，要进行手动调节。可以调节升降轴、径向轴。当升降轴、径向轴改变后，系统会自动根据这些参数计算出新马鞍型曲线轨迹，焊枪便沿着新的轨迹焊接。（3） 手动控制方式当焊枪暂停后、便可对焊枪进行手动调节，回转轴、升降轴、径向轴在暂停后均可进行手动调节。当各轴发生变化时，系统会计算出马鞍型曲线轨迹进行焊接。马鞍型曲线焊缝是复杂的曲线焊缝，焊接时要达到好的焊接效果，就需要在焊缝的不同段设置不同的焊接参数。在焊接前，需要对不同段上的焊接参数进行设定；焊接过程中，焊机会按照实际设定的焊接参数进行焊接。对于焊接同半径且焊接参数相同锚链时，可以将焊接参数保存；若用时随时可以调出，不需要再重新输入焊接参数。二、 控制参数随着科学技术的发展，自动化焊接控制技术日益完善，在自动化焊接过程中，焊接参数的调整是保证焊接质量的关键。在马鞍型曲线自动焊接系统中，焊接锚链的直径、焊接电压、焊接电流、焊接速度、焊枪姿态、送丝速度是几个主要的控制参数。在这几个控制参数中，当焊接锚链中档的直径确定后，其他几个参数便成为影响焊接质量的主要控制参数7。 (1)焊接电流焊接电流是影响焊缝成形的主要因素之一。它决定焊道的熔深，电流增加熔深增大，反之熔深减小；电流对熔宽也有一定的影响，但效果不明显。(2)焊接电压焊接电压是影响焊缝成形的重要因素。它主要决定焊缝金属的熔宽，电压增加熔宽增大。电压对焊缝金属的熔深也有一定的影响。焊接中有时会发现焊缝金属不能覆盖到焊道的两个边缘。究其原因，一方面是焊枪摆动宽度不够，另一方面就是焊接电压太小。(3)焊接速度焊接速度是影响焊缝成形的另一个重要因素。速度太快焊缝金属的熔深和熔宽都将减小，而且容易造成未熔合、咬边等缺陷；反之，容易造成焊缝熔池金属温度过高，不易快速成形，导致熔池金属流淌，成形不好。(4)焊枪姿态焊枪姿态是影响焊接质量和焊缝成形的关键因素。在焊接过程中存在平焊，下坡焊和上坡焊等不同的焊接条件，轨迹的不同位置的焊接条件变化很大，因此，需要根据焊接位置的变化来控制焊枪姿态。(5)送丝速度送丝速度也是影响焊接质量的又一因素。当进行下坡焊时，由于重力的作用，电弧熔化后的母材金属向下流淌，因此送丝速度应较小；而进行上坡焊时，送丝速度应较大。由于焊接质量和焊缝成形对焊枪的进给速度十分敏感，因此系统必须具有稳定的速度控制能力。为了满足焊接工艺的需求，实现最佳的焊接效果，控制参数的具体控制要求如下：（1） 机头回转直径：3001000mm。（2） 机头回转速度：0.070.8r/min。（3） 马鞍落差量：0100mm。（4） 焊枪倾角：45。（5） 焊丝直径：36mm。（6） 额定焊接电流：1000A。（7） 送丝速度范围（cm/min）：下降特性型（40450），双特性型（20600）。3自动焊接机的方案设计锚链相贯线是一种复杂的空间马鞍线，马鞍型曲线焊缝的位资随着焊接位置的不同而不断变化，这对焊接过程中工艺需要较高的要求。焊接机要完成复杂的焊接工艺，需要对控制系统提出较高的要求。而控制系统的难易程度，往往取决于机构的设计方式。对于机构的设计，除了要考虑完成焊接任务相匹配的机构自由度外，还需要考虑注入焊接环境、系统设备、焊枪姿态、焊接工艺、结构装配等各方面的问题。对焊接机的结构选择，要从结构、刚度、精度以及平稳性哥哥方面去考虑。焊接机既要设计合理，又要满足开放性、实用性的要求。3.1 焊接机设计过程中应注意的问题3.1.1 刚度刚度是指机身在外力的作用下抵抗变形的能力。它是用外力在外力作用方向上的变形量之比来度量的。变形越小，刚度越大。为提高焊接机刚度，应该在设计过程中注意以下几点：(1)根据受力情况，选择合理的形状和尺寸。(2)提高支承刚度和接触刚度。(3)合理布置作用力的位置和方向。3.1.2 精度焊接机精度主要集中反映在焊枪的位置精度上。它与机身的位置和结构都有密切的联系。考虑焊接工作时性能的影响，应该对焊接机的精度稍加注意。3.1.3 平稳性焊接机在运动过程中，由于质量较大，而运动状态又经常发生变化时，将产生冲击和振动。这不仅影响焊枪的精确定位，甚至会损坏焊机的驱动电机，使焊机不能正常运转。在设计过程中，应该采取措施，提高工作时的平稳性：(1)结构力求紧凑、质量轻，以减少惯性力。(2)注意运动部件各部分的质量重心对转轴支承的分布情况。3.1.4 其它在焊接过程中，焊接机器人控制的核心是对焊枪姿态的控制。如果在色剂机构的过程中，各个关节可以采用解耦控制设计，对焊接机器人的控制就会变得简单、可靠。在传动系统上，也应该力求简短，以便提高精度和效率。各驱动装置、传动条件、管线系统及各个运动控制元件要求合理紧凑，操作维护要方便。3.2 焊接机设计的原则一、焊接机应综合考虑系统功能、运动性能、工作性能、经济性和结构紧凑性等评价指标。（1）系统功能：实现运动规律或运动轨迹、实现工艺动作的准确性。采用交流伺服系统与合理的机械机构满足要求。（2）运动性能：运动速度、行程可调性、运动精度等。设计中要求各轴转速无级可调、运动精度0.1mm。（3）动力性能：承载能力、增力特性、传力特性、振动噪音等。设计出的机械产品承载力满足要求、噪音要满足要求。（4）工作性能：效率高低、寿命长短、可操作性、安全性、可靠性应用范围等。要求设计出的焊接机的工作效率是人工焊接的5倍、零件中易损件要少，各零件应容易更换。（5）经济性：加工难易、能耗大小、制造成本等。各机械零件应尽量采用标准件或通用件，多数零部件应易于制造。（6）结构紧凑性：尺寸、重量、结构复杂性等。整机结构要求紧凑、复杂程度中等。通过对焊接机的整体功能进行分解，确定各运动功能模块后，需对各部分的运动那个进行协调设计，使局部与系统之间协调配合，实现系统的综合最优化。二、执行系统协调设计时，一般遵循以下原则：（1）满足各执行机构动作先后的顺序性要求根据焊接的工艺规范和流程，确定各功能部分动作的顺序，以顺利协调地实现焊接任务。 (2)满足各执行机构动作在时间上的同步性要求焊接时，因为是两把焊枪的四轴联动的运动方案，要保证双焊枪运动的同步性要求和控制信号时间同步。（3） 满足各执行机构在空间布置上的协调性要求实现各机构的合理布局，以使系统结构简单合理。（4）满足各执行机构在操作上的协同性要求（5）各执行机构的动作安排要有利于提高劳动生产率（6）各执行机构的布置要有利于系统的能量协调和效率的提高三、设计执行机构时，从以下方面考虑：（1）满足执行构件的工艺要求和运动要求（2）尽量简化和缩短运动链（3）尽量减小机构尺寸（4）选择合适的运动副形式（5）考虑运动源的形式（6）使执行系统具有良好的传力和动力特性（7）使机械具有良好的传力和运动特性（8）保证机械的安全运转3.3 方案的提出与比较方案一：通过分析马鞍线型焊缝曲线的特性，得出需要两个自由度来走出马鞍线的轨迹，同时需要两个自由度对焊枪的姿态进行控制。方案一如图3-1所示：图3-1 方案一结构Fig.3-1 The structure of a program工作原理：（1）回转机构：电机带动小齿轮旋转，小齿轮与大齿轮啮合，从而带动大齿轮旋转，大齿轮上装有焊枪，焊枪的旋转完成一个马鞍线（锚链的焊接只需焊一边）的一个自由度。具体工作过程：电机通过减速器来减到一定的转动速度，带轴转动，轴一端连有小齿轮，小齿轮与大齿轮啮合，带动大齿轮转动同时减低了转动速度。大齿轮定位在定位支架上，齿轮上开有宽度大于锚链中档直径的槽以便于锚链的装夹和定位。结构如示意图3-2所示。 图3-2 回转机构Fig.3-2 Slewing(2)平移机构：平移台是通过电机带动丝杠转动，丝杠与螺母的配合，将转动变为移动，定位支架固定在平移台上，从而实现焊枪的直线移动，达到马鞍线的另一个自由度。结构如图3-3所示：图3-3 平移机构Fig.3-3 Translation agencies (3)摆动机构：在焊接锚链马鞍线过程中，由于受到锚链本身形状特征的限制，焊枪的姿态要随着焊缝位置的不同而变化，本文采用了回转机构和摆动机构联动的形式，用来调整焊枪的姿态。回转部分和摆动部分分别采用伺服电机来驱动。如图3-4所示。虽然这个机构能够实现单独控制焊枪姿态，但是存在几个缺点：(1)电机价格贵，采用电机较多。(2)由于在此处要装两个电机，结构体积较大。(3)安装焊枪后，由于容易产生干涉，所以摆动角度不大。图3-4 摆动机构Fig.3-4 Swing mechanism(4)定位夹紧机构：如图3-5所示，采用定位支架对锚链中档进行定位，齿轮中间开有宽度大于中档直径的槽便于锚链的装卸，然后用压板将锚链压在带槽的平台上，用螺栓紧固。当锚链的直径改变时，只需换套夹具就可以对不同锚链进行焊接。图3-5 定位夹紧机构Fig.3-5 Positioning clamping institutions方案二：通过第二章的分析，自动焊接机的设计过程分为五大机构的设计，包括：径向机构、回转机构、摆动机构、升降机构、定位夹紧机构。各部分机构的功能如下：回转机构：完成焊枪的回转，实现相贯线小于180焊接；此外，当焊缝的位置发生改变时，用于调整焊枪的姿态。摆动机构：控制焊枪的姿态，让焊枪在不同的焊接位置时，姿态随焊接位置的不同而变化，从而使焊缝均匀，满足焊接的工艺需求。径向机构：配合回转机构来实现马鞍形曲线焊缝焊接。升降机构：调整焊接部分的整体位置，当改变锚链的半径时，焊机的整体结构不用改变，只需调整升降丝杠。定位夹紧机构：用于锚链与中档焊接时，定位夹持锚链的机构，以保证焊接过程的平稳性。焊接机简图如图3-6所示，该机构能对焊枪位置和焊枪姿态单独进行控制，实现相贯线焊接。其中，径向机构B和回转机构C，这两个自由度实现对焊枪位置进行调整；回转机构D和摆动机构E这两个自由度实现对焊枪姿态进行调整；升降机构A用于焊机焊接不同直径的锚链时，用于调整焊枪的上下的位置，以满足不同直径锚链的焊接需求。图3-6自动焊接机简图 Fig.3-6 Automatic welding machine diagram自动焊接机的主体结构要完成旋转、上升下降、径向等功能。在设计过程中力求结构紧凑，传动简单。如图3-7所示，为本文设计的马鞍线焊接机主体结构。图3-7 自动焊接机主体结构 Fig.3-7 The main structure of automatic welding machine工作原理：（1）径向机构：采用一套导轨丝杠机构，如图3-8所示，由于丝杠本身具有自锁功能，因此直线传动部分更平稳、可靠。将直线位移机构安装在升降台上，直线平移台与升降台组合后，控制焊枪的位置。图3-8 直线平移机构Fig.3-8 Linear translation agencies （2）回转机构：支架与主轴靠螺钉紧固，主轴靠减速机带动，以此带动支架旋转，机构简单可靠。在工作过程中，由于采用对焊形式，支架只能做小于180的旋转，与直线平移机构配合使焊枪到达焊缝的位置。如图3-9所示。图3-9 回转机构Fig.3-9 Slewing （3）升降机构：由于升降机构并不参与工作中焊枪位置调整，而是在焊接前根据锚链的直径调整好焊接部分的位置，所以本文中对升降机构的调整采用手动形式，通过丝杠导轨调整升降高度。（4）摆动机构：在焊接锚链马鞍线过程中，由于受到锚链本身形状特征的限制，焊枪的姿态要随着焊缝位置的不同而变化，本文采用了回转机构和摆动机构联动的形式，用来调整焊枪的姿态。回转部分和摆动部分分别采用伺服电机来驱动。如图3-10所示。虽然这个机构能够实现单独控制焊枪姿态，但是存在几个缺点：（1）电机价格贵，采用电机较多。（2）由于在此处要装两个电机，结构体积较大。（3）安装焊枪后，由于容易产生干涉，所以摆动角度不大。图3-10 摆动机构Fig.3-10 Swing mechanism（5）定位夹紧机构：如图3-11所示，采用U形块对锚链中档进行定位，然后用压板将锚链压在带槽的平台上，用螺栓紧固。这种定位方法简单方便，而且有利于锚链的拆卸，当锚链的直径改变时，只需换套夹具就可以对不同锚链进行焊接。图3-11 定位夹紧机构示意图Fig.3-11 Schematic diagram of positioning clamping方案选取：经过比较和选择分析，本文选取方案二，原因：(1)方案一在结构上较为复杂，不易做出实物，而且工艺要求较高。(2)大齿轮仅靠中间的定位支架进行定位，定位不够稳定，在加工过程中，如果焊枪受力较大，便会产生震颤，导致加工精度达不到。(3)小齿轮与大齿轮的啮合完全暴露在空气中，不易润滑，且齿轮和滑动轴承之间也不能润滑，严重的摩擦不仅使结构不稳，而且影响焊缝的焊接精度。(4)大齿轮尺寸过大，在转动过程中焊枪有可能与锚链发生干涉。综上所述，所以本文选取方案二，对方案二的具体零部件进行了选择和设计。4自动焊接机主要零部件的选择和校核4.1 轴承的选择滚动轴承使用维护方便，工作可靠，起动性能好，在中等速度下承载能力较高。且具有摩擦阻力小，功率消耗小，机械效率高，尺寸标准化，具有互换性，便于安装拆卸，结构紧凑，重量轻，精度高，转速高，磨损小，使用寿命长，适用于大批量生产，质量稳定可靠，生产效率高等优点，所以本文采用滚动轴承，由于与之相配合的轴的尺寸为30mm，所以选择轴承的内径为30mm，根据强度要求所选轴承为7207C。如图4-1所示。图4-1 滚动轴承Fig.4-1 Rolling bearing4.2 联轴器的选择由于支架的旋转速度较低，从而产生很大的转矩，凸缘联轴器具有结构简单，工作可靠，装拆方便，刚性好，传递转矩大的优点，所以本文选用了凸缘联轴器。另外，凸缘联轴器还可以连接两个直径不同的轴。如图4-2所示。图4-2 联轴器Fig.4-2 Coupling4.3 驱动系统的设计4.3.1 电机驱动选取类型与特点考虑到被控对象焊枪的运动速度比较低，而且又要对焊接的整个过程进行控制，我们在这里选用直流伺服电机。一般直流伺服电机的额定转速为1500r/min或3000r/min，甚至达到6000r/min，这需要使用结构复杂的齿轮减速后去拖动焊枪旋转。在这里我们尽量选取一种低转速、大转矩的电动机来拖动被控对象。直流力矩电动机既是为了满足上述低转速、大转矩负载要求而设计制造的电动机。它可以低速运行甚至长期堵转时产生足够大的转矩。目前生产的直流力矩电机的输出转矩可达几千牛米，而转速可低至10r/min左右。 下面来介绍一下直流力矩电动机的性能特点8:(1)响应迅速，动态特性好决定过渡过程快慢的两个时间常数是机电时间常数和电气时间常数。虽然直流力矩电动机电枢直径大、转动惯量大，但是它的堵转转矩很大、空载转速很低，力矩电动机的机电常数较小。力矩电动机采用的是多级结构，可以减小电气常数，提高其快速性。此外，力矩电动机的扁平结构有利十将电动机的轴直接套在短而粗的负载轴上，从而可大大提高系统的祸合刚度。(2)力矩波动小，低速下运行稳定力矩波动是指转子处在不同位置时，堵转转矩的峰值与平均值之差。力矩波动的大小是表征力矩电动机性能优劣的一个重要指标，也是影响力矩电动机用于直接驱动系统低速平稳运行的重要因素之一。采用扁平式电枢，可增加电枢槽数、元件数和换向片数;适当增加电机的气隙，采用磁性槽楔、斜槽及斜磁极，都可减少力矩波动。(3)机械特性和调节特性的线性度好在保证励磁磁通不变的情况下，可以得到直流电动机线性的机械特性和调节特性。但是在电动机中存在着电枢反应的去磁作用，且去磁作用的强弱与电枢电流或负载转矩有关，导致机械特性和调节特性的非线性。为了提高线性度，将磁路设计成高饱和度，并采取增大空气隙等方法来减少电枢反应的影响。(4)电机的连续堵转转矩和峰值堵转转矩大力矩电动机经常在低速和堵转状态使用，伺服系统用要求它能在一定的转速范围内调节转速，对它的机械特性和调节特性的线性度要求都很高。因此，力矩电动机的额定指标就常常给出一定使用条件时的堵转转矩和空载转速。电机的连续堵转转矩是指在长期堵转状态下，稳定温升不超过允许值时所能输出的最大转矩。对应于这种情况下的电枢电压成为连续堵转电压，相应的电枢电流成为连续堵转电流。为使电机工作在预定的回复线上，必须经受规定的电流正、反两个方向的磁性稳定处理，该稳定磁化电流成为峰值电流。经过查阅资料，根据实际情况，我们所选的直流力矩电机型号是60LY010，其基本参数如表4-1所示：表4-1 直流力矩电机基本参数Table 4-1 Basic parameters of DC motors型号峰值堵转电压（V）峰值堵转电流（A）峰值堵转转矩（Nm）空载转速（r/min）60LY010270.60.2400-600对于该焊枪姿态控制的电机来说，由于其位置精度和负载力矩较小，因此，可以采用步进电机驱动。步进电机又称为脉冲电机，是数字控制中常用的一种执行元件，它能够在电脉冲控制下以很小的步距增量运动。步进电机转动的步数与脉冲数成对应关系，在电机的负载能力范围内，此关系不因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化，因此步进电机可以在很宽的范围内通过改变脉冲频率来调速，而基本不用考虑响应时间的问题，能够实现快速启动、反转与制动。步进电机的另外一个优点是动作准确可靠，没有累积误差，因此可以采用开环控制，使得控制系统结构简单，位置与速度容易控制，响应速度快，力矩比较大，而且可以直接用数字信号控制。同时，目前的步进电机驱动器大多带有“细分”功能，“细分”不仅提高了电机的精度，而且能够改善步进电机的运行性能。步进电机的细分控制是由驱动器精确控制步进电机的相电流来实现的，以二相电机为例，假如电机的额定相电流为3A，如果使用常规驱动器(如常用的恒流斩波方式)驱动该电机，电机每运行一步，其绕组内的电流将从0突变为3A或从3A突变到0，相电流的巨大变化，必然会引起电机运行的振动和噪音。如果使用细分驱动器，在10细分的状态下驱动该电机，电机每运行一微步，其绕组内的电流变化只有0.3 A而不是3A，且电流是以正弦曲线规律变化，这样就大大的改善了电机的振动和噪音。一般情况下，当步进电机的细分数达到32以上时，基本就没有低频振动的问题了。4.3.2 减速器的选择类型及特点对于减速器，本文选取了谐波减速器，谐波齿轮减速器的传动是一种依靠弹性变形运动来实现传动的新型传动，它突破了机械传动采用刚性构件机构的模式，使用了一个柔性构件机构来实现机械传动。谐波齿轮减速器有以下一些特点: （1）传动比大 单极传动比为70320。这样可以尽量满足我们所需要的低转速的要求。 （2）侧隙小 由于其啮合原理不同于一般齿轮传动，侧隙很小，甚至可实现无侧隙传动。（3）精度高 同时啮合齿数可达到总齿数的20%左右，在相隔180的两个对称方向上同时啮合，因此误差被平均化，从而达到高运动精度。（4）零件数少、安装方便 仅有二个基本部件，且输入轴与输出轴为同轴线，因此结构简单，安装方便。（5）体积小、重量轻 与一般减速器比较，输出力矩相同时，通常其体积可减少2/3，重量可减轻1/2。因此可以满足本课题设计结构上的要求。（6）承载能力大，效率高，运转平稳 因同时啮合齿数多，柔轮又采用了高疲劳强度的特殊钢材，从而获得了高的承载